黄河治理巨大的减沙成就与未来输沙需水量

张红武，侯 琳，李琳琪

（清华大学，100084，北京）

黄河流域具有“水沙异源”“水少沙多，水沙关系不协调”的特点，流域径流主要来自内蒙古托克托县河口镇以上，超过80%的泥沙主要源于河口镇以下至陕西潼关间的多沙区。 受高强度降雨的动力影响，黄河中上游黄土高原土壤侵蚀强烈， 沟壑纵横，水土严重流失，大量泥沙入黄，导致由暴雨洪水和冰凌洪水造成的水灾几乎遍及全河，尤其伴随洪水而来的大量泥沙成为下游洪水致灾的主要影响因素， 河道长期淤积形成淮河、海河流域的分水岭。 下游河道具有“善淤、善决、善徙”特性，突出表现为频繁的洪水决口、 泛滥和河流改道。从公元前 602 年—1938 年的 2 540 多年中， 下游经历了 26 次改道，5 次大改道迁徙，可谓“三年两决口百年一改道”。洪流所到之处，房屋被埋、良田沙化、河道淤塞，对生态环境造成严重破坏。因此，黄河曾被认为“水在上游、沙在中游、害在下游”。 水沙条件是黄河规划及治理开发方案的基础， 因黄河“水在上游”的变化幅度相对有限，“沙在中游” 的变化就成为影响 “害在下游”的关键环节，成为关注热点。

鉴于黄河中游潼关站来沙量基本能反映黄土高原的侵蚀量及产沙强度，在梳理70 多年黄河上中游泥沙治理工作基础上， 利用潼关站大量实测资料进行分析计算， 辨析各方泥沙预测结果存在较大差异的原因所在，总结了黄河治理巨大的减沙成就，并进一步研究减沙后的输沙需水量。

一、研究现状简述

自20 世纪80 年代以来，有关部门先后围绕黄河流域水沙变化组织研究，取得一系列成果。2004 年后，黄河中游潼关站年输沙量已由年均16亿t 锐减至不足3 亿t（个别年份大于3 亿t，主要由上游水库排沙所致）。著名水利专家宁远当年在技术讨论会上敏锐地推断， 黄河来沙减少已呈趋势性变化，并认为年均不过3 亿～4 亿t。当时包括笔者在内的绝大部分学者都不以为然。 但随着实测资料的反复证实， 跟踪关注黄河水沙变化的部分学者已赞同这一观点。 不少学者的预测值与宁远的推断结果相近甚至还小。例如，刘晓燕等首次将现状梯田和林草植被的减沙量确定为10.65 亿t；蔡蓉蓉等预测潼关站年均径流量、沙量分别为 249 亿 m3、3.1 亿 t； 王光谦等预测潼关站未来 10 年、20 年、50年平均输沙量分别为 2.83 亿 t、3.13亿 t 和 4.12 亿 t。

“十三五”期间，国家重点研发计划首批设立“黄河流域水沙变化机理与趋势预测”项目，集中大量人力物力继续开展研究，预测未来25～30 年内黄河中游龙门等5 站年均沙量大概率不超过3 亿t，2070 年后年均沙量为 4 亿 t 左右。 2017 年，国家重点研发计划专项“黄河下游河道与滩区治理研究”项目组预测潼关站未来30年内年均沙量为2.2 亿 t， 未来 50 年内年均沙量低于2.2 亿t。这一数据与2017—2020 年 4 年实测值接近，2018年潼关站沙量3.73 亿t 高于预测值，但若去掉万家寨等水库排沙量1.38亿t 及河段冲刷量，天然来沙量仍不大。

考虑近年连续多年都有大于300亿m3的水量入海，2020 年竟接近360亿m3，远大于下游输沙和河口生态所需水量，故将预测的潼关年均径流量修正为 300 亿~350 亿 m3，同 2021 年来水状况接近。说明根据实际变化加以人为修正，可能比完全依靠实测资料统计的结果更合理。

二、全面治黄以来的减沙量

1.黄河泥沙治理不同阶段及其水沙变化

新中国成立以来，我国对黄土高原开展治理，通过打坝淤地、修建水库等措施， 中游水土流失量明显降低。 研究治黄减沙成就，选用潼关站1919—2020 年共 102 年的水沙资料进行研究， 其中 1919—1951 年采用陕县站实测资料替代。 对百余年水沙资料（称为百年过程） 累积后平均，即得年均径流量及输沙量分别为363.7亿 m3、11.13 亿 t。

百年黄河进程中，1960 年是水土保持工作走向高潮的一年。1998 年长江、嫩江特大洪水后，国务院发出紧急通知， 要求2000 年前要对毁林开垦的林地实现全部还林。 因此以1960年及1999 年为关键节点，将百年过程分为三个阶段。

①自然状态阶段（1919—1960年）。将1919—1960 年共42 年实测资料作为水保水利作用显现前的水沙数据，年均径流量及输沙量分别为423.2 亿m3、15.76 亿 t； 年均入海约 12 亿 t 泥沙， 其中40%左右在河口三角洲沉积，剩余泥沙都堆积在河床上，下游河道成为举世闻名的“地上悬河”，这相当于黄河治理前水沙的自然状态。

②退耕还林前阶段（1961—1999年）。将 1961—1999 年共 39 年作为水土保持工作掀起高潮且水保水利工程减沙明显后至退耕还林前阶段，可简称为退耕还林前。 对应年均径流量及输沙量实测数据分别为357.7 亿m3、10.81 亿 t，与“百年过程”年均值接近，相对于自然状态阶段，径流量及输沙量分别减少15.5%及31.4%；

③现状（2000—2020 年）。 将2000—2020 年共21 年作为水保水利工程减沙显著且实施退耕还林后阶段，可简称为现状。 已建成近6 万座淤地坝及大量小型保土蓄水工程，黄土高原地区生态环境总体得到改善，实测资料显示，相应年均径流量及输沙量分别为 256.1 亿 m3、2.44 亿 t， 相对于退耕还林前阶段，径流量及输沙量分别减少28.4%及77.4%， 相对于自然状态阶段，径流量及输沙量分别减少39.5%及84.5%，说明径流量持续减少，输沙量减少幅度更大，超过张红武、张俊华、姚文艺1999 年在《泥沙研究》第4期发表的“黄河治理方略”一文所期望的减沙率80%。

2.各家水沙变化趋势预测成果存在差异的原因

选用潼关站1919—1959 年实测水沙资料，点绘出径流量与输沙量点群关系见图1。可由图表现的“自然状态”趋势回归出如下关系式：

将多数专家预测的年均径流量W240 亿 m3代入式（1），可得出年均输沙量Ws 为8.06 亿t，同目前黄河相关工程设计依据的潼关站年均沙量为8亿t 接近。 如果一定程度上考虑黄河治理影响，将240 亿m3代入由百年过程实测资料回归的Ws=0.0004W1.7，求出年均输沙量为4.58 亿t， 比按自然状态关系式计算值小很多，且现状年均输沙量2.44 亿 t 比预测值也偏小不少，这说明不考虑黄河治理减沙程度的影响，单纯采用资料分析手段难以预测出符合实际的结果。

近20 多年的年来沙量相对于治理前自然状态的年均值，已大幅度减小，其中2014—2015 年来沙量仅0.55亿~0.69 亿 t， 见图 2。 近年径流量 W相对于退耕还林前的年均值357.7 亿m3增大不少,对图1 中潼关水文站近25 年径流量与输沙量实测资料进行回归，得：

图1 黄河潼关水文站自然状态下径流量与输沙量点群关系

图2 黄河潼关水文站近21 年径流量与输沙量变化

根据上述不同治理阶段产沙量干预作用差异， 认为对黄河年均沙量的预测差异较大原因， 主要在于不同学者求解黄河来沙方程时， 是否采用对应的定解条件。 每年来水量有的以伏汛为主，有的以秋汛为主，产沙量对应的定解条件本不应相同， 其中秋汛径流量W 跟输沙量Ws 的相关性不大。

当前，黄河流域生态保护和高质量发展已上升为重大国家战略，黄河流域水保、水利工程及退耕还林（草）措施将更加受到重视， 求解来沙方程采取的定解条件应充分考虑黄河治理对产沙量的影响， 才能得出可靠的预测结果，即使取现状也可能偏于保守。预测更长时段结果时， 如果无视定解条件的明显差异， 仅考虑实测资料年数且依据以20 世纪资料为主的水沙系列，就会得到“所取时间尺度越大，预测年均沙量越大”的不合理结果。

3.泥沙治理成效

将不同的来水量代入式（1）与式（2），可分别求出自然状态与现状的输沙量， 两者之差即相对于自然状态的减沙量。 首先以“黄河下游河道与滩区治理研究” 项目组预测值为基础，潼关站未来30 年内年均沙量为2.2 亿t、径流量 350 亿 m3， 进行比较研究，由式（1）求出未来 30 年内年均径流量350 亿 m3条件下年均沙量达 12.3 亿t，年均减沙 10.1 亿 t，30 年减少 303 亿t进入黄河下游的泥沙量，表明如果没有治黄努力，下游来沙局面不可想象。

如果采用式（2）预测未来 30 年内年均输沙量，求出相应的年均沙量为2.22 亿t， 进而计算的输沙需水量也基本如此。 从而表明全面治理黄河之后，泥沙量大幅度减少，黄河治理的成就确实巨大。

三、未来输沙需水量

在进入下游的沙量大幅度减小的客观条件下，不少人企望将省出的输沙用水量挪用他处。 笔者1982 年时根据1973—1980 年花园口至利津河段资料分析，建立了下游河道冲淤强度ΔgS与花园口站洪峰平均流量QP及平均含沙量 SP的关系式：ΔgS=当 ΔgS=0，即为下游冲淤平衡式，等号两端乘以Q0.5T（T为历时），可变成下游输沙量计算式：WS=2 014Q0.5T， 按未来下游洪水流量约 3 000 m3/s、历时 T 为 14 d，计算出下游输沙1.33 亿t， 所需洪水水量为36.3 亿 m3，与 2017 年大致接近。 如果未来30 年内年均沙量为2.4 亿t，由上式可求出输沙历时T 为25.2 d，可估算下游年均输沙用水量为65.3 亿m3。

对 1919—1977 年三门峡、黑石关、小董实测资料相加统计后，可作为减沙前进入下游的年均水沙量， 即汛期、非汛期、全年水量分别为280 亿m3、188 亿 m3、468 亿 m3，汛期（7—10 月，共 123 天， 平均流量 QP=2 635 m3/s）、非汛期、 全年沙量分别为13.9 亿 t、2.4 亿 t、16.3 亿 t，汛期、非汛期、全年含沙量分别为 49.6 kg/m3、12.8 kg/m3、34.8 kg/m3。

为运用河流动力学原理进行更严格的计算，可引入张红武水流挟沙力公式，在计算中考虑含沙量对卡门常数、 泥沙沉速及浑水容重的影响。将花园口至夹河滩河段床沙中径0.08 mm、比降 2×10-4、流速 2.8 m/s、水深 1.25 m、 悬沙中径 0.02 mm、 沉速0.127 cm/s、 汛期含沙量 49.6 kg/m3等条件代入，计算的挟沙力为36.9 kg/m3，即是含沙量的3/4。按黄河下游来沙16亿 t、输沙入海 12 亿 t 给出。 按主槽宽度755m，求出流量Q 为 2 642.5 m3/s，同减沙之前黄河下游汛期平均流量QP接近。

花园口至夹河滩河段通过几十年整治，河势得到有效控制，综合稳定性指标Zw 已由20 世纪的1.7 左右升为3~4，小于临界值5，仍属于游荡型。 因此，本文开展未来30 年内河道输沙输水计算，需将河床综合稳定指标Zw=4 作为下游游荡性河床平衡关系式。 按胡春宏、张红武分别主持完成的两个国家重点研发计划项目预测结果， 未来30 年内年均沙量为2.2亿~2.4 亿t，约为年均沙量减小至原沙量的1/7， 汛期平均含沙量49.6 kg/m3也减小至 1/7,即 49.6/7=7.09 kg/m3，比较符合目前实际（同时还受年均沙量计算公式制约）， 取目前主槽宽度600 m、 水深为 1.14 m， 以冲淤平衡为条件，河床常处于冲淤交替状态而有所粗化，D50=0.1 mm， 悬移质粒径变粗，沉速0.140 cm/s， 悬沙中径 0.025 mm，糙率增加，求出流速约1.52 m/s，计算减沙后流量Q*=971 m3/s，整个汛期输沙需水量 W 可得 103 亿 m3， 数值偏大的原因是汛期实际出现的小流量输沙效率很低所致。 为此，可将原输送汛期含沙量所需水量取为200 亿m3（相当于忽略非汛期输沙作用），再按W=200Q*/QP的比例关系计算，得年均沙量减小7 倍后的W 为73.7 亿m3。 按照该方法可进一步计算出不同减沙比例η 下输沙需水量曲线，表示为：W=200η0.51。假如未来 30 年内年均沙量为 3 亿 t，η=3/16=0.1875，由该式求出 W 为 85.2 亿 m3。 在黄河本身水量已减少约100 亿m3条件下，从下游输沙需水量中很难再将较多水量调剂出来，外流域调水依然是必要的。

四、结 论

水沙多寡是制定治黄方案的基础。 在“水在上游”变化幅度相对有限的状况下，“沙在中游”的变化就自然成为影响“害在下游”的关键，更是学术研究的难点。 研究表明：①梳理黄河治理过程， 分辨出1960 年及1999年是影响来沙发生凸变的时间节点，把潼关站百年资料分成自然状态、退耕还林前、现状三个阶段，认为来沙量大幅度减少是黄河治理作用不断显现的结果；②揭示以往预测结果不合理的原因，是不同学者对复杂的黄河水沙方程求解时未采用对应的定解条件；③根据自然状态与现状两阶段资料回归的关系式求值之差，即得现状年均相对减沙10.1 亿t， 黄河治理的减沙成就是巨大的；④运用经验法与河流动力学原理，计算未来年均沙量预测值所需输沙用水量为65.3亿～73.7 亿 m3。